Overvåking av arkeologiske kulturminner fra Søndre gate 7 11 i middelalderbyen Trondheim

Transkript

1 Overvåking av arkeologiske kulturminner fra Søndre gate 7 11 i middelalderbyen Trondheim Status rapport I (september 2015 november 2016) NIBIO RAPPORT VOL. 3 NR Ove Bergersen Divisjon Miljø og naturressurser

2 TITTEL/TITLE Miljøovervåking av arkeologiske kulturminner fra Søndre gate 7-11 i middelalderbyen Trondheim. Statusrapport I (september 2015 november 2016) FORFATTER/AUTHOR Ove Bergersen DATO/DATE: RAPPORT NR. TILGJENGELIGHET/AVAILABILITY: PROSJEKTNR./PROJECT NO.: SAKSNR./ARCHIVE NO.: /67/2017 Åpen /01475 ISBN: ISSN: ANTALL SIDER/ NO. OF PAGES: ANTALL VEDLEGG/ NO. OF APPENDICES: OPPDRAGSGIVER/EMPLOYER: Riksantikvaren, Distriktskontor Trondheim Norsk institutt for kulturminneforskning, Distriktskontor Trondheim KONTAKTPERSON/CONTACT PERSON: Sissel Ramstad Skoglund Anna H. Petersén STIKKORD/KEYWORDS: Redoksforhold, bevaring, kulturminner, Miljøovervåking, nedbrytning Redox conditions, preservation, remains, degradation FAGOMRÅDE/FIELD OF WORK: Jordkvalitet Miljøovervåking Middelalderbyen Trondheim SAMMENDRAG/SUMMARY: Fredete kulturlag på tomten i Søndre gate 7-11 (Petter Egges plass) i Trondheim er gravd frem av NIKU. Disse kulturlagene skal overvåkes i 5 år fra Dette er første statusrapport på overvåkingen. Ett år etter installert overvåkingsutstyr viser at overvåkingen har fungert bra, uten avvik i oppstartsperioden frem til september 2016, med ett unntak hvor en sensor for jordfuktighet og temperatur ser ut til å ha gått i stykker i profil 3. Begge profiler med måleteknisk utstyr ble beskyttet med bentonittmembraner før hullene ble fylt igjen. Målinger viser at det er reduserende forhold i nedre del av venstre side av profil 6, mens øvre del har mer oksiderende forhold. I profil 3 og 4 er det tørrere og oksiderende forhold. Nedbrytingsforsøk på jordprøver fra profil 6 inkubert ved 10 C i laboratoriet viser en meget lav nedbrytingsrate lik o av organisk materiale. FYLKE/COUNTY: KOMMUNE/MUNICIPALITY: STED/LOKALITET: Sør Trøndelag Trondheim Søndre gate 7-11 / Petter Egges plass

3 GODKJENT /APPROVED PROSJEKTLEDER /PROJECT LEADER TROND MÆHLUM OVE BERGERSEN

4 Forord Denne rapporten er skrevet på oppdrag fra NIKU. NIBIO har i oppdrag utført miljøovervåking fra arkeologisk kulturlag på tomten av Søndre gate 7-11 (Petter Egges plass) i Trondheim. Det ble installert overvåkingsutstyr som skal overvåke hvordan kulturlag fra dette automatisk fredete området av middelalderbyen Trondheim bevares over tid in situ. Det første året med overvåkingsdata er fremstilt og vurdert i denne rapporten. Fra NIBIO har følgende personer deltatt i prosjektet: Måletekniske arbeider i felt: Thor Endre Nytrø, Srikanthapalan Muthulingam og Ove Bergersen Laboratorieundersøkelser: Hege Bergheim og Ove Bergersen Rapportering : Ove Bergersen Kvalitetssikring av rapporten: Trond Mæhlum Ås, 4. april 2017 Ove Bergersen Prosjektleder NIBIO RAPPORT 3 (67) 4

5 INNHOLD 1 Innledning Bakgrunn Målet for prosjektet Materiale og Metoder Arkeologi og naturvitenskapelige definisjoner Feltarbeide og prøvetaking Generelt om vurdering av bevaringsforhold i kulturlag Feltarbeid i forbindelse med den del av prosjektet som omfatter miljøovervåking Miljøovervåking av arkeologiske kulturlag Installering av sensorer i kulturlag Installering av datalogger Utfordringer og avvik ved miljøovervåkingen første driftsår Nedbrytingsforsøk på jordprøver fra midten og bunnen av profil 1 hull Resultater og Diskusjon Overvåking av jord temperatur målt i Profil 3, 4 og Overvåking av jordfuktighet målt i Profil 3, 4 og Overvåking av redoksforhold målt i Profil 3, 4 og Nedbryting av organisk materiale målt i jordprøver fra i profil Avvik første driftsår Konklusjoner Referanser Vedlegg NIBIO RAPPORT 3 (67) 5

6 1 Innledning 1.1 Bakgrunn NIKU har fatt i oppdrag av Riksantikvaren, Distrikt Nord, med å utforme en plan for et Miljøovervåkingsprosjekt i området Søndre gate 7 11 i Trondheim (bestilling vedlagt). Tiltaket er en del av Riksantikvarens satsing på miljøovervåking i middelalderbyene. Det finnes allerede resultater fra en forundersøkelse i 2007 med kartlegging av tilstand og bevaringsforhold (Bioforsk rapport 103/2007). Disse viste at i denne delen av middelalderbyen ble det påvist tykke godt bevarte kulturlag. NIKU har brukt disse resultatene som en del av grunnlaget for vurdering av egnet sted for planlagt miljøovervåkingsprosjekt. Høsten 2015 ble det gravet ut flere profiler på tomten Søndre gate 7-11 (Petter Egges plass) i Trondheim (Figur 1). I 3 profiler ble det installert overvåkingsutstyr som skal overvåke hvordan kulturlag fra dette automatiske fredete området av middelalderbyen Trondheim bevares over tid in situ. I tillegg er det analys ert jordprøver fra de områder hvor sensorene ble plassert. Dette er en statusrapport over det første år av overvåkingsperioden fra installasjonen høsten 2015 til høsten Målet for prosjektet 1. Vurdere bevaringsforholdene i prøver fra flere kulturlag som skal overvåkes. 2. Overvåke disse kulturlag in situ i 5 år fra NIBIO RAPPORT 3 (67) 6

7 Figur 1. Oversiktskart over Tomten Søndre gate 7 11 / Petter Egges plass. (Norges kart). Utgravet område og profiler hvor data er hentet fra. Foto NIBIO Ove Bergersen. NIBIO RAPPORT 3 (67) 7

8 2 Materiale og Metoder 2.1 Arkeologi og naturvitenskapelige definisjoner I rapporten blir det brukt uttrykk som trenger en forklaring fordi de brukes forskjellig i ulike fagområder eller de er lite kjent. Kulturlag: Lag med materiale knyttet til menneskelig aktivitet. Kulturlag kan variere meget i form, utseende, sammensetting og innhold beroende på lokalitet, tidsalder, type aktivitet og jordsmonn. Steril grunn: Naturlig undergrunn, upåvirket av menneskelig aktivitet. Bevaringstilstand: Kulturlagenes nåværende tilstand avhengig av pågående og historisk nedbrytning. Bevaringsforhold: Fysiske, kjemiske og mikrobiologiske forhold som er avgjørende for nedbrytningshastighet i kulturlag. Redoksreaksjoner: Redoksreaksjoner består av to delreaksjoner, oksidasjon og reduksjon. Disse reaksjoner foregår vanligvis relativ langsomt men i naturlige systemer fungerer mikroorganismer som katalysatorer slik at reaksjonene forgår mye raskere. Aerobe forhold: Forhold der luft (oksygen) er til stede. Ved aerobe forhold blir organisk materiale og reduserte uorganiske forbindelser oksidert av mikroorganismer som omsetter oksygen (sammenlignbar med menneskelig respirasjon). Ved aerobe forhold kan man forvente en høyere mikrobiell aktivitet enn ved anaerobe forhold. Anaerobe forhold: forhold der luft (oksygen) er fraværende. Ved anaerobe forhold blir organisk materiale oksidert av mikroorganismer som omsetter nitrat, oksidert jern og mangan, sulfat eller oksidert organisk materiale i stedet for oksygen. I naturlige miljøer er anaerobe forhold ensbetydende med reduserende (reduktive) forhold, men i hvilken grad forholdene er reduserende, varierer. Reduserende (reduktive) forhold: Avhengig av forbindelsen som blir redusert, snakker man om nitratreduserende, jern- og manganreduserende, sulfatreduserende og metanogene forhold. Jo mer redusert redoksforholdene er, jo lavere er den mikrobielle aktiviteten. 2.2 Feltarbeide og prøvetaking Arkeologisk vurdering er foretatt av NIKU ved prosjektleder Anna Petersén. Jordprøver er tatt av NIBIO for videre kjemisk og fysisk analyse ved Ove Bergersen og Hege Bergheim. 2.3 Generelt om vurdering av bevaringsforhold i kulturlag Gode bevaringsforhold for kulturlag karakteriseres av stabile kjemisk fysiske forhold, og at mikrobiologisk og kjemisk aktivitet er relativ lav. Stabile kjemisk fysiske forhold fører til at naturlige gradienter (f.eks. hydrauliske gradienter eller konsentrasjonsgradienter), som ofte holder naturlige kjemiske prosesser i gang, avtar. Dette medfører langsommere nedbrytning av kulturlag. I naturen foregår nedbrytning av organisk materiale, eller korrosjon av metaller, parallelt med redoksreduksjon av andre forbindelser. Mikroorganismer får energi fra slike reaksjoner og bruker denne energien til blant annet oppbygging av biomasse. Mest energi får mikroorganismer hvis de kan bruke oksygen til å oksidere organisk materiale. Noe mindre energi genereres hvis nitrat (NO3 - ) brukes og enda mindre ved forbruk av treverdig jern, Fe(III), fireverdig mangan (Mn(IV)), sulfat (SO4 2- ) eller oksidert organisk materiale (se figur i vedlegg 3). I naturen kan vi derfor observere at aerobe forhold med oksygen til stede går over til NIBIO RAPPORT 3 (67) 8

9 nitratreduserende forhold når all oksygen er brukt opp. Deretter følger mangan-, jern- og sulfatreduserende forhold, før en får metanogene forhold. Under metanogene forhold observerer man den langsomste nedbrytningen av organisk materiale, og minst oksidering av metallgjenstander. Raskest foregår nedbrytning av organiske gjenstander under aerobe forhold. Nedbrytningshastigheten vil som oftest avta i rekkefølge nitrat-, mangan-, jern-, sulfatreduserende til metanogene forhold. Oksidative og nitratreduserende forhold kan som regel karakteriseres som dårlige bevaringsforhold, mens sulfatreduserende og metanogene forhold kjennemerker bra til utmerket bevaringsforhold. Imidlertid må stedsspesifikke forhold tas i betraktning. I vedlegg 3 er det illustrert en enkel oversikt som viser generelt hvordan kulturlagene vurderes på bevaringsforhold. I flere tilfeller vil man få grenseoverganger. I det oransje markerte område vises nivåer av målte kjemiske parameter for typisk oksiderende forhold, men reduserende forhold er vist med blått. Redoksforhold i grunnen kan karakteriseres ved å måle redoks-sensitive elementer i jord og porevann (oksygen, nitrat, ammonium, mangan (II), mangan (IV), jern (III), jern (II), sulfat, sulfid, metan): Høye oksygenkonsentrasjoner indikerer for eksempel at forholdene er oksidative og at mikroorganismene bruker oksygen til å bryte ned organisk materiale. Ved slike forhold kan vi forvente at nitrogen foreligger i stor grad som nitrat og ikke som ammonium, jern foreligger som oksidert jern (III) og konsentrasjon av sulfid vil som regel være svært lavt. Hvis forholdene derimot er jernreduserende, vil all oksygen og nitrat allerede vært brukt opp av mikroorganismer og nitrogen vil foreligge som ammonium. Det vil kunne måles høyere konsentrasjoner av jern (II) i porevann og jord, men det er heller ikke ventet høye sulfidkonsentrasjoner. Ved sulfatreduserende forhold vil jern alltid være i redusert form. Andre miljøforhold som vil påvirke bevaring av kulturlag er massenes permeabilitet og vannmetning. Dette vil styre gjennomstrømning av (oksygenrikt) vann gjennom massene og diffusjon av oksygen i porene. Dessuten vil tilstedeværelse av giftige forbindelser kunne hemme nedbrytningen av organisk materiale. Syre og løselige salter medfører korrosjon av metalloverflater. Økende surhet og saltkonsentrasjon vil framskynde korrosjon av metallgjenstander og forvitring av bein. 2.4 Feltarbeid i forbindelse med den del av prosjektet som omfatter miljøovervåking Feltarbeidet ble utført i september 2015 av Ove Bergersen, Thor Endre Nytrø og Srikanthapalan Muthulingam. Profilen var ferdig gravet ut av Anna Petersen ved NIKU før prøver ble tatt og utstyr for overvåking satt inn og montert sammen til måleskap. Utstyret og datalogging fra de ulike sensorene ble kontrollert før profilen ble fylt igjen med bentonitt duk inntil profilveggene for å beskytte kulturlag og utstyr. En samlet oversikt over plassering av de ulike sensorene koblet til de ulike skapene er vist i tabell 1A og 1B. NIBIO RAPPORT 3 (67) 9

10 Tabell 1A Oversikt over plassering av sensorene for jord temperatur, fuktighet og Hanna redokssensorer til høyre skap. Målinger ved installasjon og etter 1 uke er lagt inn. Høyre skap sensor nr Sensor type nr Plassering/ hull/ Prøve Nr Plassering (moh) Merknader ved prøvetaking Sensor verdier cm inn Sensor verdier 1 uke Felt målinger nær kanten Profil 6 (Figur 4) Kobling 1 Redox 1 Hanna 1 øvre høyre 8.07 oksiderende 450 mv 340 mv Kobling 2 Redox 2 Hanna 2 hjørne venstre 8.00 oksiderende 320 mv 380 mv Kobling 3 Redox 3 Hanna 3 midten bunn 7.45 reduserende -137 mv -275 mv Kobling 4 Fuktighet 1 1 øvre høyre % 36.5% 56.0% Kobling 5 Temperatur 1 1 øvre høyre C 8.3 C Kobling 6 Fuktighet 2 2 hjørne venstre % 41.3% 51.1% Kobling 7 Temperatur 2 2 hjørne venstre C 9.8 C Kobling 8 Fuktighet 3 3 midten bunn % 35.5% 42.1% Kobling 9 Temperatur 3 3 midten bunn C 10.5 C Profil 4 (Figur 3) Kobling 10 Fuktighet 4 Øvre venstre % 24.3% 21% Kobling 11 Temperatur 4 Øvre venstre C 10.4 C Kobling 12 Fuktighet 5 Nedre høyre % 26.5% 24% Kobling 13 Temperatur 5 Nedre høyre C 11.1 C Profil 3 (Figur 3) Kobling 14 Fuktighet 6 Nedre høyre % 21.8% 25% Kobling 15 Temperatur 6 Nedre høyre C 11.1 C Tabell 1B Oversikt over plassering av de nye redokssensorer fra EKT 950 koblet til venstre skap. Målinger ved installasjon. Disse verdier må omregnes i forhold til temperaturen i profilen og er høyere. Venstre Skap sensor nr Sensor ny type nr Plassering/ hull/ Prøve nr Plassering (moh) Merknader ved prøvetaking Sensor verdier cm inn Sensor verdier 1 uke Kobling 1 Redox ny 1 Profil 6 øvre høyre 8.10 oksiderende 552 mv 572 mv Kobling 2 Redox ny 2 Profil 6 hjørne venstre 7.95 oks. mot red. 350 mv 120 mv Kobling 3 Redox ny 3 Profil 6 midten bunn 7.35 reduserende 242 mv 50 mv Kobling 4 Redox ny 4 Profil 4 midten 7.75 oks. mot red. 410 mv 225 mv Kobling 5 Redox ny 5 Profil 3 nede 7.35 oks. mot red. 239 mv 180 mv Ref elektrode Redox Profil 6 Venstre NIBIO RAPPORT 3 (67) 10

11 2.5 Miljøovervåking av arkeologiske kulturlag Jordas varmekapasitet defineres som den varmemengden som skal til for å øke temperaturen i ett kilo jord med en grad. Vann har svært høy varmekapasitet (4,19 KJ/kg). Varmekonduktiviteten (evnen til å lede varme) vil derfor være svært avhengig av vanninnholdet i jorda. En vannmettet jord med høy vannkapasitet (dvs. stor evne til å holde på vann, for eksempel leirjord) vil ha mye større evne til å lede varme enn en tørr jord. Temperatursvingningene i tette jordarter (silt- og leirholdige) vil derfor være mindre enn for eksempel i sandjord og organisk jord. I det aktuelle område ønsker NIKU og Riksantikvaren i Trøndelag overvåking av temperatur, jordfuktighet og redoksforhold i 5 år for å se om de påviste arkeologiske kulturlag er utsatt for svingninger og forandringer. Økt temperatur og svingninger i tørt og vått klima kan virke inn på nedbrytingen av de arkeologiske kulturlag. 2.6 Installering av sensorer i kulturlag Sensorer for måling av temperatur og fuktighet som ble installert var av typen TRIME-PICO 32 fra IMKO Modultechnik GmbH. Sensorene kan installeres horisontalt eller vertikalt i jord. Mer informasjon om sensorene kan finnes på Sensorene ble installert i ulike høyder av kulturlag i utgravde profiler 3., 4. og 6. september 2015 (Figur 2 og 3). Plasseringen til sensorene var de steder hvor de arkeologiske konteksters prøver er tatt ut for videre kjemisk-fysisk analyse. Ved siden av jordfuktighet/temperatursensor, ble også redokssensorer av to ulike typer satt inn. En tidligere brukt redokssensor som har både ref elektrode og platina elektrode i samme glass sensor, Hanna instrument nr. HI2930B/5, ble satt inn. Verdiene og egen spenning ble justert med +171mV. I tillegg ble nye redoks sensorer fra EKT 950 satt inn fra Ecotech. Disse er levert av fra IMKO Modultechnik GmbH. Platina elektroder (EKT ) ble satt inn på ulike steder i profilen. I tillegg ble en felles 3M Ag/Agcl Ref. elektrode (EKT ) satt inn i representative masser som vil kommunisere og redoks verdier fra platina elektrodene. Ref elektroden ble plassert i et beskyttende rør med gel av 3M Ag/Agcl som skal gi god kontakt med jord og beskytte elektroden. Alle redoks verdiene (Eh) ble omregnet med 210mV vurdert ut fra målt middeltemperatur i kulturlagene. Hanna instrument nr. HI2930B/5 er ikke beregnet for jord i utgangspunktet, men har vist seg å fungere i kulturlag som har høyere fuktighet. Måling av redokspotensialet gir informasjon om hvor gode bevaringsforholdene er der det blir overvåket. Jordfuktighet og temperatur vil vise oss eventuelle fluktuasjoner når større mengder nedbør og frost påvirker profilen. Ut fra disse målingene vil det være mulig å se hvor stabile forholdene er i kulturlagene. Veksling mellom tørre og våtere perioder vil medføre at porene i profilen tilføres oksygen. Redoksmålinger vil si mer om hvordan bevaringsforholdene er i kulturlagene. Oksiderende forhold med mye oksygen vil medføre nedbryting av organisk materiale. Sensorene ble installert i ulike lagene der jordprøver ble tatt ved først å bore opp et hull med jordbor med diameter som sensoren i ønsket dybde. Deretter ble sensoren trykket forsiktig på plass i bunn av hullet slik at metallstengene (lengde 11cm, diameter 0,35cm) hadde god kontakt med jorda. Sensorer ble stabilisert med masse slik at spenn og press på sensorhodene skulle unngås. Etter at datalogging var startet ble alle sensorer kontrollert med feltmåleutstyr slik at de viste samme jord temperatur og fuktighet. Hele profilveggen ble dekket til med bentonitt duk før den ble gjenfylt. 2.7 Installering av datalogger Ledningene fra sensorene ble ført til to beskyttende skap (Vedlegg 1) og koblet sammen til datalogger. Dataloggeren var en UniL og Com fra SEBA Hydrometrie ( Data overføres fra logger via GPRS (datatrafikk over mobil nettet) til NIBIO RAPPORT 3 (67) 11

12 internett. På denne måten kan utviklingen i redoks, temperatur- og fuktighetsforhold følges kontinuerlig fra en web side. For at god overføring av signaler skal kunne skje er en spesiell antenne koblet til. Loggeren tilføres strøm via et 12V batteri med lang levetid. 2.8 Utfordringer og avvik ved miljøovervåkingen første driftsår Alle sensorene har gitt gode fornuftige resultater i hele måleperioden til nå. Helt mot slutten av måleperioden sluttet temperatur/fuktighet sensor nr 6 i profil 3 å gi unormale verdier og ansees som tapt videre fremover i tid. Figur 2 Foto illustrasjon på innstallering av sensorer i profil 3 og 4 NIBIO RAPPORT 3 (67) 12

13 Figur 3 Foto illustrasjon på innstallering av sensorer i profil 6. Sensor 1, 2 & 3 registrerer jordfuktighet og temperatur. Redoks 1, 2 & 3 er gamle redoks sensorer fra Hanna instrument. Redoks 1, 2 & 3 ny er nye redoks sensorer fra EKT (se kap 2.7). Ref. elektroden er plassert rett til venstre for sensorene 2. Redoks 3 ny er plassert dypere i profil 6 (høyre hjørne). Sistnevnte er ikke direktes sammenlignbar med Redoks 3. De første uker med målinger hvor nye og gamle redokssensorer ble sammenlignet viste godt samsvar med hverandre, både når de viste reduserende, eller oksiderende forhold. Ofte kan dataserier fluktuere mye og derfor beregner vi også medianen* på dataseriene. Så langt er det ikke observert store svingninger eller fluktuasjoner. Medianverdier gir mer riktig verdi hvis dataene fluktuerer mer. * Median verdi: I statistikk er median et sentralitetsmål som defineres som verdien til tallet som deler et utvalg i to deler slik at hver del har like mange elementer. Fordelen ved å bruke median i forhold til middel eller gjennomsnittverdi er at median er stabil overfor ekstreme observasjoner (som blant annet kan fremkomme ved målefeil). NIBIO RAPPORT 3 (67) 13

14 2.9 Nedbrytingsforsøk på jordprøver fra midten og bunnen av profil 1 hull 4 Tre flasker (120mL) ble tilført 5 gram jord fra hvert av kulturlagene (7.95 moh) og (7.45 moh). 2 ml anaerobt vann ble tilsatt og alle flasker ble opparbeidet i anaerob atmosfære. Flaskene ble satt ved 10 grader C i vannbad. Innholdet av produsert CO2 inne i hver flaske ble målt over tid på en GC gassanalysator av typen Agilent micro gas chromatograph (Agilent Technologies 3000A). Hensikten med disse forsøk er å se hvor stabil det organiske materialet er, eller om det brytes ned når luft ikke er til stedet og når temperaturen er lav. Etter gassmålingene inne i flasken ble det beregnet akkumulert CO2 i hver av flaskene og illustrert som middelverdi med standard avvik for hver av prøvene. Verdiene er presentert som mg karbon (CO2) per g organisk material. I tillegg ble nedbrytingsraten beregnet over tid mg karbon (CO2) per g organisk material per dag. Forsøket er et langtidsstudie utført parallelt med overvåkingen. NIBIO RAPPORT 3 (67) 14

15 3 Resultater og Diskusjon Analyser av ulike jordprøver fra de ulike profiler viste ulikt resultat. Tabell 2 viser at både profil 3 og 4 hadde oksiderende forhold og dårlig bevaringsforhold av organisk materiale. Grunnlaget for informasjonen i tabell 2 er vedlagt i Vedlegg 2. Det ble her funnet lavt innhold av organisk materiale. I profil 6 ble det påvist bra og middels bevaringsforhold i dypere lag. Bevaring av uorganisk materiale var middels til bra i alle profiler med unntak av det dypeste kulturlag i profil 3. Videre overvåking av disse kulturlagene vil vise om In situ bevaring forverrer seg, eller bedrer seg ove tid. Kap 3.1 viser de første data fra 1 år av overvåkingen. Hvis temperaturen holdes lavt som vist i figur 4, vil bevaringsforholdene for organisk materiale forverres. Median temperaturen beregnet første år ligger i alle profiler ligger på omkring 7 C. Tabell 2 Kjemiske og fysiske forhold i prøver hentet fra de steder hvor sensorene i Profil 3, 4 og 6 var satt inn, utført etter S2 analyse sammenstilt med bevaringsforhold for organisk og uorganisk materiale Søndre gt 7-11 Dyp Tørrstoff Organisk innhold Vann innhold ph Ledningsevne Bevarings forhold Prøvested (moh) (%) (%) (%) uscm -1 Organisk material Uorganisk material Redoks forhold * Profil 6 toppkt Sensor 1 Temp/fukt Dårlig Middels A2 Sensor 2 Temp/fukt Bra Middels A4 Sensor 3 Temp/fukt Bra Middels A4 Ref eletrode Middels Bra A3 Prøve 2B midten Bra Middels A4 Profil 4 Sensor 4 Temp/fukt Dårlig Bra A2 Sensor 5 Temp/fukt Dårlig Middels A2 Profil 3 Sensor 6 Temp/fukt Dårlig Middels A2 Prøve B3 venstre Dårlig Dårligere A2- A3 Lavt organisk materiale 10% Middels organisk materiale 10-25% Høyt organisk materiale 30-40% Lavt vanninhold 10-20% Middels vanninhold 30-40% Høyt vanninhold 50-60% Elendig til dårlig Middels Bra til utmerket Oksiderende forhold Reduserende forhold * SOPS : NS 9451:2009 NIBIO RAPPORT 3 (67) 15

16 3.1 Overvåking av jord temperatur målt i Profil 3, 4 og 6. Jordtemperaturen målt i alle ulike kulturlag viste normalt forløp med synkende verdier utover høsten og vinteren. Begge målinger i de dypeste lag (moh) fra profil 3 og 6 viste begge noe høyere temperaturer sammenlignet med de øvre lag som lettere påvirkes av ute temperaturen i Trondheim sentrum (Figur 4). I figur 4 under er det beregnet minimum, maksimum, median og gjennomsnittsverdier fra måleperioden sept til feb Disse beregninger viser at max temperatur i øvre del av profilen 6 er målt til 14 C, 13 C i midten og 11 C i nedre del. I profil 3 og 4 ble max temperaturen målt høyere, med C i Profil 4 og 14 C i Profil 3. Sistnevnte er registrert ved kort sommerperiode i juli aug. De laveste verdier ble målt omkring 0-2 C i alle tre profiler. Gjennomsnittverdien ble beregnet til omkring 7 C i alle tre profiler som gir en indikasjon på temperaturen så langt i overvåkingsperioden. Det ser ikke ut som om tele har trengt ned til sensorene. Beregningene viste også lite forskjell mellom Profil 6 og 3 og 4 som ligger ved hverandre. Lav jordtemperatur er gunstig for å bevare organisk og uorganisk materiale siden alle biologisk og kjemiske prosesser går svært sakte. All mikrobiologisk forskning på naturlig nedbryting av organisk materiale viser at temperatur påvirker hastigheten i større grad fra 15 C og oppover. Ved 10 C skjer dette langsomt med oksygen til stedet. Studier på nedbryting av organisk materialet ved NIBIO (Petersén & Bergersen 2016) og undersøkelser utført ved Nationalmuseet i Danmark (Hollesen & Matthiesen, 2011) viser at ved omkring 10 grader skjer det svært lite, men økning fra 10 og 15 grader øker nedbrytningshastigheten vesentlig, spesielt med oksygen tilgjengelig. Uten oksygen til stedet vil tungt nedbruttbart materiale som for eksempel trevirke være beskyttet over tid. Ekstra undersøkelser på prøver fra Munkehaugsveita viser svert lite destruksjon av karbon (se kap. 3.4) 3.2 Overvåking av jordfuktighet målt i Profil 3, 4 og 6. De viktigste observasjoner i startfasen av miljovervåkingen viste at jordfuktighetens gjennomsnittsverdi i profil 3 og 4 ble målt til %, mens i Profil 6 ble den målt til 34-42% (Figur 5). Disse målinger samsavarer med inntrykket som ble gjort under installasjonen og målingene i felt vist i Tabell 1A, selv om de viste noe høyere verdier i kanten av profilen pga noe regnvær. Jordfuktigheten fluktuerte lite med nedbøren i Trondheim by med unntak av små perioder i overgangen 2015 til 2016, juni og nov 2016 i bunnen av Profil 6 (Figur 5). I profil 6 inne i hjørnet av tomten nærmere husvegg var jordfuktigheten litt høyere i dypere lag enn i øvre lag. Forskjellen ble beregnet i gjennomsnitt på 34 % ved 8.10 moh, med en økning til 42% i midten og bunn av Profil 6 ved ( moh).(tabell, figur 5). Fuktighet og temperatur sensor i Den øvre sensor nr 4 i Profil 4 (.7.90moh.) som ligger nærmest overflaten viste noe nedgang utover vinteren og våren Profil 3 ved 7.50 moh sluttet å virke etter ett år okt 2016 og gir ikke normale verdier. NIBIO RAPPORT 3 (67) 16

17 Profil 6 Profil 6 Profil 6 Profil 4 Profil 4 Profil 3 Temperatur C Temp. 1 Temp. 2 Temp. 3 Temp. 4 Temp. 5 Temp moh 7.95 moh 7.45 moh 7.90 moh 7.75 moh 7.50 moh Høyre Venstre Venstre Høyre Høyre Høyre Min Maks Median Gjennomsnitt Figur 4. Jordtemperatur målt i ulike kulturlag fra Profil 3, 4 og 6) fra sept til nov sammenstilt med middel temperatur per dag i Trondheim sentrum (data fra Tabell under viser Maks, min, median og gjennomsnittsverdier av jordtemperatur målt fra Profil 3, 4 og 6 i måleperioden sept til nov NIBIO RAPPORT 3 (67) 17

18 Profil 6 Profil 6 Profil 6 Profil 4 Profil 4 Profil 3 Fuktighet % Fukt. 1 Fukt. 2 Fukt. 3 Fukt. 4 Fukt. 5 Fukt moh 7.95 moh 7.45 moh 7.90 moh 7.75 moh 7.50 moh Høyre Venstre Venstre Høyre Høyre Høyre Min Maks Median Gjennomsnitt Figur 5. Jordfuktighet målt i ulike kulturlag fra Profil 3, 4 og 6 fra sept til nov sammenstilt med mm nedbør per dag i Trondheim sentrum (data fra Tabell under viser Maks, min, median og gjennomsnittsverdier av jordfuktigheten målt fra Profil 3, 4 og 6 i måleperioden sept til nov NIBIO RAPPORT 3 (67) 18

19 3.3 Overvåking av redoksforhold målt i Profil 3, 4 og 6. Redoksforholdene i profilene vil kunne gi oss en viktig indikasjon på bevaringen av organisk materiale. Det er benyttet to typer redoks sensorer: 3 gamle og 3 nye i Profil 6. I profil 3 og 4 ble det satt inn to av den nye typen. Profilen inneholdt sand, som også påvirker at jordfuktigheten ble lav, slik at det er plass til mer luft i jordporene. Dette medfører mer oksiderende forhold og at redoksverdier blir positive - registrert både med nye og gamle sensorer. Målinger første år i profil 6 viser oksiderende forhold i store deler av profilen, selv om flere av jordprøvene viste bra bevaringsforhold. Tabell 3 viser gjennomsnittverdien på +630 til +800 mv fra 810 og ned til 735 moh. Kun gammel sensor i venstre side i bunnen av profilen på (7.45 moh.) viste negative redoksverdier (Figur 6). Den nye sensor 3 på venstre side ved 7.35 moh. viste oksiderende forhold på i gjennomsnitt +600 til +700 mv (Tabell 3). Det er litt vanskelig å forklare denne forskjellen, men høyre side av profil 6 var mye mer sandrik i profilveggen sammenlignet med venstresiden. Dette viser igjen store forskjeller i bevaringsforhold innen små områder fra en profil med ulik jordsammensetning. I profil 3 og 4 viser de nye redoks sensorene gjennomsnittverdier på +460 til +600mV som tilsier oksiderende forhold (Tabell 3, Figur 7). Disse profiler ligger nærmere kirkegården hvor skjeletter ble påvist i Disse sensorene 4 og 5 ( på 7.75 og ned til 7,35 moh.) kan forklare at det ble funnet lite organisk materiale i begge disse profiler (Tabell 3, Figur 7). Profiler med lite organisk materiale og høyere tørrstoffinnhold fremtrer ofte oksiderende siden porene i jorda innholder mer oksygen. Tørt miljø og lite organisk materiale medfører også lav mikrobiell aktivitet til å fjerne ny tilførsel av oksygen. Figur 6. Redoksforholdene i ulike kulturlag, venstre og høyre side av Profil 6 målt med gamle Hanna redoks sensorer fra sept til nov sammenstilt med mm nedbør per dag i Trondheim sentrum (data fra I profil 6 ble det i tillegg satt ut nye redoks sensorer med separat ref. elektrode til sammenligning. Resultatene fra disse vist i figur 7. NIBIO RAPPORT 3 (67) 19

20 Den nye redoks sensor 3 i profil 6 ved 7.35 moh. fluktuerer mye og ser ut som å påvirkes mer av nedbørsrike perioder enn de øvrige (Figur 7 over). Sterk økning i jordfuktigheten (sensor 3) samtidig målt i samme området ved 7.45 moh. fra % ga reduksjon i redokspotensialet fra +800 og ned til +400 mv i korte perioder. Disse svingninger blir viktig å følge videre fremover i overvåkings- perioden. I øvre del av profil 6 på 8.10 moh. stiger redokspotensialet i nedbørsrike perioder selv om jordfuktigheten virker stabil i dette området av profilen. Det ble også observert fluktuasjoner i ny redoks sensor 4 på 7.75 moh i profil 4 (Figur 7 under). Figur 7 Redoksforholdene målt med nye redokssensorer i ulike kulturlag fra Profiler 3, 4 og 6 fra sept til nov sammenstilt med mm nedbør per dag i Trondheim sentrum (data fra NIBIO RAPPORT 3 (67) 20

21 Tabell 3 Maks, min, median og gjennomsnittsverdier av redoksforholdene målt i profilens venstre og høyre side med de nye redoks sensorene fra Profil 3, 4 og 6 i måleperioden sept til nov Under Redoks verdier fra Hanna elektroder. Redox forhold Redox forhold Profil 6 Redox 1 Profil 6 Redox 2 Profil 6 Redox moh 7.95 moh 7.45 moh mv Høyre Venstre Venstre Min Maks Median Gjennomsnitt Profil 6 Redox 1 Ny Profil 6 Redox 2 Ny Profil 6 Redox 3 Ny Profil 4 Redox 4 Ny Profil 3 Redox 5 Ny moh 7.95 moh 7.35 moh 7.75 moh 7.35 moh mv Høyre Venstre Høyre Høyre Høyre Min Maks Median Gjennomsnitt Nedbryting av organisk materiale målt i jordprøver fra i profil 6 En ekstra undersøkelse hvor nedbrytingsrater av jordprøver fra 7.95 moh. (prøve 2) og 7.45 moh (prøve 3) ble undersøkt viser begge meget lave nedbrytingsrater etter 440 dager inkubasjon. Begge disse prøver ble valgt pga. 20 % organisk materiale og kjemisk gode bevaringsforhold (A4), for å se hva som skjer med det organiske materiale over tid ved 10 C uten oksygen til stede. Utviklet mg karbon som CO2 fra kulturlagsprøven og nedbrytingsrate for jordprøver fra kulturlag 2 (7.95 moh.) og 3 (7.45 moh.) i profil 6 er vist i figur 8. En liten forskjell ble observert i starten av måleperioden Etter over ett 1 år kan en ikke se noen stor forskjell i økt nedbryting av organisk materiale i noen av prøvene. Dette viser at det er mulig at organisk materiale kan beskyttes når kulturlag har lav temperatur uten oksygen tilstede. NIBIO RAPPORT 3 (67) 21

22 Figur 8. Utviklet mg karbon (CO2) per g organisk material (venstre side). Nedbrytingsraten beregnet over tid mg karbon (CO2) per g organisk material per dag (høyre side) hvor kulturlagsprøve fra midten (7.95 moh.) og bunnen (7.45 moh.) av profil 6 ble undersøkt. Andre nedbrytingsforsøk av kulturlagsprøver i Trondheim med ulik bevaringsforhold viser større forskjeller ved 20 C, hvor nedbrytningshastighet av organisk materiale var betydelig høyere i dårlige bevarte prøver sammenlignet med kulturminneprøver som var bedre bevart. Dette skyldes i hovedsak at dårlig bevart materiale allerede har flere aktive mikroorganismer og mer tilgjengelig organisk materiale. Over lengre tid og ved lavere temperatur på 10 C jevner dette seg ut og nedbrytingsraten var lik null (Petersén & Bergersen 2016). Dette viser igjen at hvis kulturlagene holdes stabilt anoxiske og fuktige ved lav temperatur vil det være mulig å bevare organisk materiale lengre fremover i tid. Ved temperaturer omkring 10 C eller lavere skjer det lite med organisk materiale og både kjemiske og biologiske prosesser er langsomme. 3.5 Avvik første driftsår Alle sensorene har gitt gode og fornuftige resultater i hele måleperioden første år fra september 2015 til oktober Etter den tid har vi observert feil ved verdier som gir avvik i målingene. Under arbeidet med denne statusrapporten har det skjedd forandringer med Sensor 6 temperatur og fuktighet (7.50 moh). Sensorer sluttet å gi pålitelige verdier fra 5. oktober 2016 og har høyst sannsynlig gått i stykker. Temp/fukt Sensor 4 (7.90 moh) i profil 4 stoppet å virke 30. jan Skade på ledninger har skjedd som følge av videre utgravinger i området (personlig info fra Anna H. Petersén i Niku). NIBIO RAPPORT 3 (67) 22

23 4 Konklusjoner Fredete kulturlag på tomten i Søndre gt 7-11 (Petter Egges plass) i Trondheim er gravd frem av NIKU og kulturlagene er instrumentert av NIBIO for miljøovervåking i perioden Måledata for første driftsår (september 2015 til november 2016) gir grunnlag for følgende konklusjoner: Overvåking i profil 6 viser oksiderende og ikke så gode bevaringsforhold fra 8.10 moh i øvre og midtre del av profilen ned til 7.35 moh i den høyre siden av profilen. På venstre side ved 7.45 moh. ble det registrert reduserende forhold. Jordtemperaturen i profil 6 var 6-7 C i gjennomsnitt gjennom året, mens jordfuktigheten ble beregnet til 34 % i øvre del og omkring 40 % i dypere kulturlag. Oksiderende forhold og dårlig bevaring av organisk materiale ble også påvist i begge profiler 3 og 4, som også er tørrere sammenlignet med profil 6. Gjennomsnittlig beregnet jordtemperatur lå på samme nivå som i profil 6 (6-7 C). Nedbrytingsforsøk av organisk materiale fra profil 6 med gode bevaringsforhold utviklet over et år ved 10 C uten luft til stede viser nesten ikke målbare verdier. Både kjemiske og biologiske prosesser som kan skade uorganisk og organisk materiale er lave ved disse temperaturene. Temperaturen i profilene er relativt lave og kun målt til å være maksimalt C over korte perioder om sommeren. Lave temperaturer under 10 C er gunstig for bevaring av organisk materiale. Tross at det har vært enkelte avvik med noen sensorer som ikke virker som forutsatt første driftsår, mener NIBIO at overvåkningen kan forventes gi et godt grunnlag for å vurdere eventuelle endringer i bevaringsforhold over tid som følge av evt. bygging av et nytt bygg på tomten. NIBIO RAPPORT 3 (67) 23

24 Referanser Bergersen, O. & Hartnik, T Bevaringsforhold i kulturlag ved Petter Egges Plass TA , Trondheim. Jordfaglig vurdering av miljøforhold på bakgrunn av laboratorieanalyser. Bioforsk Vol.2 Nr Hollesen, J. & Matthiesen, H The effect of temperature on the decomposition of urban layers at Bryggen in Bergen. Nationalmuseet in Denmark. Report n Petersen, A. H. & Bergersen, O In situ preservation in the unsaturated zone: Results from environmental investigations at the Schultz gate case study in the medieval town of Trondheim, Norway. Vol. 18 Nos 1 3, 2016, s Petersén, A. H. & Bergersen O Forundersøkelse av kulturminner Søndre gt 7-11, Trondheim Arkeologisk og jordfaglig analyse NIKU og NIBIO rapport (in prep). Norsk Standard 9451:2010. Kulturminner. Krav til miljøovervåking og undersøkelse av kulturlag. Standard Norge Yr: NIBIO RAPPORT 3 (67) 24

25 Vedlegg Oversikt over vedlegg Nr. Emne 1 Installasjonsrapport fra NIBIO Måleteknisk gruppe 2 Kjemisk og fysisk analyse av jordprøver for vurdering av bevaringsforhold 3 Bevaringsskala av kulturlag og redoksforhold ved standard aktivitet fra ulike mikroorganismer NIBIO RAPPORT 3 (67) 25

26 Vedlegg 1 Dette er installasjonsrapport for montering av overvåkingsutstyr av temperatur, jordfuktighet og redoksforhold i 3 ulike profiler på Peter Egges plass Søndre gate 7-11 i Trondheim i forbindelse med oppdrag bestilt av NIKU. Ås, september 2015 For NIBIO Divisjon jord og miljø Sri Muthulingam To skap med hver sin datalogger er satt opp med forskjellige sensorer plassert i de ulike profiler. Sensorene installert i ulike høyder av utgravde Profiler 3, 4 og 6 i hulet i 24. september 2015 og koblet til ulike skap. (se under). Venstre skap (UCL06566) nye redoks sensorer og høyre skap (UCL10233) gamle redoks, temperatur og fuktighets sensorer. Venstre skap - UCL06566 Utstyr Antall Redox-sensorer ny type 5 Referanse Redox 1 Dataloger 1 Battery 1 Høyre skap - UCL10233 Utstyr Trime-pico 32 (Jord fuktighet & temperatur sensorer) Antall 6 Redox-elektrode (Hanna) 3 Dataloger 1 Battery 1 Skapene ble montert på veggen av nærmeste hus, i ca 0,5 m høyde slik at lengden på kabler nådde fram. Hvert skap inneholder datalogger av typen UniLog Standard fra SEBA, 12 volt batteri og koblinger. Alle ledninger fra de ulike sensorer ble beskyttet i plastrør og profilveggene ble dekket til med bentonittduk før de ble fylt igjen. Profil 3 og 4 ble helt dekket til. Profil 6 ble delvis dekket til og fylt igjen senere når utgravingsarbeidet var fullført av NIKU. NIBIO RAPPORT 3 (67) 26

27 Data overføres fra dataloggeren via GSM (telefon) til internett. På denne måten kan utviklingen i temperaturog fuktighetsforhold og oppløsninger følges kontinuerlig. Dette ble kontrollert etter installasjon og at overføring av data via modem fungerte godt med god kommunikasjon med server på Ås. NIBIO RAPPORT 3 (67) 27

28 Vedlegg 2 Jordkjemiske analyser på bevaringsforhold i jordprøver hvor kulturminner overvåkes Prøve sted Dyp Organisk innhold Surhet og Redoksforhold Søndre gt 7-11 (moh) og vanninnhold salinitet Profil 6 toppkt. Sensor 1 Temp/fukt 8.10 Lavt org. - middel vanninnhold Nøytal og lav Oksiderende Sensor 2 Temp/fukt 7.95 Middels org. - og vanninnhold Nøytal og lav Sulfatreduserende Sensor 3 Temp/fukt 7.45 Lavt org. - middel vanninnhold Nøytal og lav Sulfatreduserende Ref eletrode 8.00 Middels org. - lavt vanninnhold Svak basisk og lav Svak reduserende Prøve 2B midten 7.80 Lavt org. - middel vanninnhold Nøytal og lav Sulfatreduserende Profil 4 Sensor 4 Temp/fukt 7.90 Lavt org. - og vanninnhold Svak basisk og lav Oksiderende Sensor 5 Temp/fukt 7.75 Lavt org. - og vanninnhold Nøytal og lav Oksiderende Profil 3 Sensor 6 Temp/fukt 7.50 Lavt org. - og vanninnhold Nøytal og lav Oksiderende Prøve B3 venstre 7.50 Lavt org. - og vanninnhold Svak surt og lav Oksiderende Prøve sted Dyp Nitrate - N Ammonium-N Sulphate Sulphide Iron (II) Iron (III) % of Søndre gt 7-11 (moh) (mg/kg DM) (mg/kg DM) (mg/kg DM) (mg/kg DM) (mg/kg DM) (mg/kg DM) Iron (II) Profil 6 toppkt. Sensor 1 Temp/fukt n.d % Sensor 2 Temp/fukt % Sensor 3 Temp/fukt % Ref eletrode % Prøve 2B midten % Profil 4 Sensor 4 Temp/fukt n.d % Sensor 5 Temp/fukt n.d % Profil 3 Sensor 6 Temp/fukt n.d % Prøve B3 venstre n.d % n.d. not detected NIBIO RAPPORT 3 (67) 28

29 Vedlegg 3 Bevaringsskala av kulturlag Redoksforhold ved standard aktivitet fra ulike mikroorganismer (Brock, 1996). NIBIO RAPPORT 3 (67) 29

30 NOTATER NIBIO RAPPORT 3 (67) 30

31 NOTATER NIBIO RAPPORT 3 (67) 31

32 Norsk institutt for bioøkonomi (NIBIO) ble opprettet 1. juli 2015 som en fusjon av Bioforsk, Norsk institutt for landbruksøkonomisk forskning (NILF) og Norsk institutt for skog og landskap. Bioøkonomi baserer seg på utnyttelse og forvaltning av biologiske ressurser fra jord og hav, fremfor en fossil økonomi som er basert på kull, olje og gass. NIBIO skal være nasjonalt ledende for utvikling av kunnskap om bioøkonomi. Gjennom forskning og kunnskapsproduksjon skal instituttet bidra til matsikkerhet, bærekraftig ressursforvaltning, innovasjon og verdiskaping innenfor verdikjedene for mat, skog og andre biobaserte næringer. Instituttet skal levere forskning, forvaltningsstøtte og kunnskap til anvendelse i nasjonal beredskap, forvaltning, næringsliv og samfunnet for øvrig. NIBIO er eid av Landbruks og matdepartementet som et forvaltningsorgan med særskilte fullmakter og eget styre. Hovedkontoret er på Ås. Instituttet har flere regionale enheter og et avdelingskontor i Oslo. Forsidefoto: Ove Bergersen nibio.no